熱流場對靜態刀具遮罩式微電化學加工的影響性

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陳泓悅(Houng-Yue Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

能源工程研究所

論文名稱

熱流場對靜態刀具遮罩式微電化學加工的影響性
(The Influence of Heat and Flow Field on Electrochemical - Micro Machining with a Static Tool)

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摘要(中)

遮罩式微電化學加工(Through-Mask Electrochemical Micro-machining，TMEMM)有別於一般微電化學加工(Electrochemical Micro-machining，EMM)，所用之刀具不受成品形狀之影響，可在相同刀具下依成品之形狀改變遮罩形狀完成不同幾何外型之加工，可節省刀具設計費用。
　　現今之遮罩式微電化學加工之研究僅於電場模擬、或者實際加工後進行分析，然而實際上的微電化學加工過程是由相當複雜的物理現象組合而成，因此本文嘗試以有限元素法創建電場與熱流場之模型，討論加工時之施加電壓、電解液流速、電解液溫度、遮罩厚度對加工外型的影響。
　　模擬結果顯示，電壓越大，加工深度愈深，島狀比率上升；電解液流速愈低，加工區電解液溫度愈高，造成不對稱現象愈嚴重，島狀比率也會上升；遮罩厚度愈薄，遮罩之遮蔽能力愈差，局部電流密度愈大，加工深度愈深，島狀比率愈大。

摘要(英)

Through-mask electrochemical micro machining (TMEMM) is different from the normalElectrochemical micro machining (EMM). The design expense of the electrode tool can be saved because the electrode tool won’t be affected by the shape of the ending product. Without changing the electrode tool, TMEMM can fulfill end product with any shape by only changing the shape of the electric insulated mask.
　　Nowdays, the researches on TMEMM simulation are restricted in the influence of electric field. However the process of EMM is the combination of complex physical phenomena. In this study, we try to implement the electric field model with temperature field and flow field by finite element method.The effect of working parameters, such as: applied voltage, velocity of electrolyte, temperature of electrolyte, mask thickness etc…, on the resulting shape are investigated.
Results show that, as the voltage is increased, the machining depth become deeper and the island ratio is higher. When the electrolyte velocity is slower, the electrolyte temperature in machining zone is higher, and the shape of machining zone becomes asymmetry and the island ratio becomes higher. If the mask is thinner, the shadow effect of the mask becomes worse and the portion current density is increased. Consequently the machining depth becomes deeper, and the island ratio becomes higher too.

關鍵字(中)

★ 遮罩式電化學加工
★ 有限元素法
★ 模擬

關鍵字(英)

★ through-mask ekectrichemical micro-machining (TMEMM)
★ finite element method
★ simulation

論文目次

摘要 i
Abstract ii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 xi
符號說明 xii
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-1-1 微電化學加工 3
1-1-2 遮罩式微電化學加工 4
1-2 文獻回顧 5
1-3 研究目的 9
第二章理論分析 11
2-1 基本理論 11
2-1-1 電流密度 12
2-1-2 電流分佈 12
2-2 電解液導電度 13
2-3 底切與島狀 15
2-4 電化學加工之建模需求 16
第三章數值方法 18
3-1 有限元素法之電場與熱流分析 18
3-2 模型定義與假設 19
3-3 電化學反應式 20
3-4 模型建立 20
3-5 二維電場與熱流場模型 22
3-5-1 電場之模型設置 22
3-5-2 流場之模型設置 23
3-5-3 溫度場之模型設置 24
3-6 變形幾何模型 25
3-7 計算流程 26
第四章結果與討論 27
4-1 網格收斂性驗證 27
4-1-1 驗證用之模型設定與建立 27
4-1-2 網格收斂性測試 28
4-2 電壓對加工形狀的影響 29
4-3 電解液流速對加工形狀的影響 31
4-4 遮罩厚度對加工形狀的影響 36
第五章結論 38
5-1 結論 38
5-2 未來展望 39
參考文獻 40

圖目錄
圖1-1　　典型的電化學加工系統 49
圖1-2　　典型的遮罩式電化學加工系統 49
圖1-3　　僅考慮二維電場之模擬結果 50
圖1-4　　考率熱流場與電場之模擬結果 50
圖2-1　　遮罩式微電化學加工之底切示意圖 51
圖2-2　　電化學加工建模過程之物理現象 51
圖3-1　　靜態模型假設示意圖 52
圖3-2　　一合一件之幾何外型,紅線為虛擬陰極 53
圖3-3　　靜態之遮罩式微電化學加工模型示意圖 53
圖3-4　　遮罩式微電化學加工之模擬項目 54
圖3-5　　靜態模型模擬之流程圖 55
圖4-1　　網格收斂測試之參考點 56
圖4-2　　電解液流速網格收斂性測試 56
圖4-3　　電壓之網格收斂性測試 57
圖4-4　　溫度之網格收斂性測試 57
圖4-5　　網格分佈圖 58
圖4-6　　固定流速2m/s之速度分佈 58
圖4-7　　電壓15V下之電場分布 59
圖4-8　　電壓15V下之溫度分佈 59
圖4-9　　電壓15V下電流密度之分佈 60
圖4-10　　電壓15V加工後之幾何外型 60
圖4-11　　電壓15V下島狀之折線圖 61
圖4-12　　電壓12V下之電場分布 62
圖4-13　　電壓12V下之溫度分佈 62
圖4-14　　電壓12V下電流密度之分佈 63
圖4-15　　電壓12V下加工後之幾何外形 63
圖4-16　　電壓12V下島狀之折線圖 64
圖4-17　　電壓9V下之電場分佈 65
圖4-18　　電壓9V下之溫度分佈 65
圖4-19　　電壓9V下電流密度之分佈 66
圖4-20　　電壓9V下加工後之幾何外形 66
圖4-21　　電壓9V下島狀之折線圖 67
圖4-22　　電壓6V下之電場分佈 68
圖4-23　　電壓6V下之溫度分佈 68
圖4-24　　電壓6V下電流密度之分佈 69
圖4-25　　電壓6V下加工後之幾何外型 69
圖4-26　　電壓6V下島狀之折線圖 70
圖4-27　　電壓對加工後最大孔徑影響之折線圖 70
圖4-28　　電壓對加工後最大深度影響之折線圖 71
圖4-29　　電壓對加工後島狀比率影響之折線圖 71
圖4-30　　電解液流速1.5m/s下之速度分佈 72
圖4-31　　電解液流速1.5m/s下之溫度分佈 72
圖4-32　　電解液流速1.5m/s下電流密度之分佈 73
圖4-33　　電解液流速1.5m/s下加工後之幾何外型 73
圖4-34　　電解液流速1.5m/s下之島狀折線圖 74
圖4-35　　電解液流速1m/s下之速度分佈 75
圖4-36　　電解液流速1m/s下之溫度分佈 75
圖4-37　　電解液流速1m/s下電流密度之分佈 76
圖4-38　　電解液流速1m/s下加工後之幾何外形 76
圖4-39　　電解液流速1m/s下之島狀折線圖 77
圖4-40　　電解液流速0.5m/s下之速度分佈 78
圖4-41　　電解液流速0.5m/s下之溫度分佈 78
圖4-42　　電解液流速0.5m/s下電流密度之分佈 79
圖4-43　　電解液流速0.5m/s下加工後之幾何外形 79
圖4-44　　電解液流速0.5m/s下之島狀折線圖 80
圖4-45　　電解液流速0.25m/s下之速度分佈 81
圖4-46　　電解液流速0.25m/s下之溫度分佈 81
圖4-47　　電解液流速0.25m/s下加工區形成回流區之流線圖 82
圖4-48　　電解液流速0.25m/s下電流密度之分佈 82
圖4-49　　電解液流速0.25m/s下加工後之幾何外形 83
圖4-50　　電解液流速0.25m/s下之島狀折線圖 83
圖4-51　　電解液流速0.125m/s下之速度分佈 84
圖4-52　　電解液流速0.125m/s下之溫度分佈 84
圖4-53　　電解液流速0.125m/s下電流密度之分佈 85
圖4-54　　電解液流速0.125m/s下加工後之幾何外型 85
圖4-55　　電解液流速0.125m/s下之島狀折線圖 86
圖4-56　　電解液流速對加工後最大孔徑影響之折線圖 86
圖4-57　　電解液流速對加工後最大深度影響之折線圖 87
圖4-58　　電解液流速對加工後島狀比率影響之折線圖 87
圖4-59　　遮罩厚度15μm下之速度分佈 88
圖4-60　　遮罩厚度15μm下之溫度分佈 88
圖4-61　　遮罩厚度15μm下之電流密度分佈 89
圖4-62　　遮罩厚度15μm下加工後之幾何外型 89
圖4-63　　遮罩厚度15μm下加工後之島狀比率折線圖 90
圖4-64　　遮罩厚度45μm下之速度分佈 91
圖4-65　　遮罩厚度45μm下之溫度分佈 91
圖4-66　　遮罩厚度45μm下之電流密度分佈 92
圖4-67　　遮罩厚度45μm下加工後之幾何外型 92
圖4-68　　遮罩厚度45μm下加工後之島狀比率折線圖 93
圖4-69　　遮罩厚度對加工後最大孔徑影響之折線圖 93
圖4-70　　遮罩厚度對加工後最大深度影響之折線圖 94
圖4-71　　遮罩厚度對加工後島狀比率影響之折線圖 94

參考文獻

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指導教授

洪勵吾(Lih-Wu Hourng)

審核日期

2017-8-2

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